Los ladrillos del Universo y su lado oscuro. Carlos Muñoz

Transcripción

1 Los ladrillos del Universo y su lado oscuro Ciclo: El Futuro de la Física Fundamental Residencia de Estudiantes, Madrid, 7 Noviembre 2017

2 De qué está hecho el Universo? De qué está hecho el Universo? 2

3 Esta charla, al ser de las primeras del ciclo, espero que sirva de introducción a otras charlas posteriores donde se desarrollarán de forma mucho más extensa temas que aquí solo se introducen: Higgs, quarks y gluones, cuerdas, cosmología, etc. De qué está hecho el Universo? 3

4 Un cúmulo gigante de galaxias El movimiento de las galaxias del cúmulo no parece seguir la ley de Newton de la gravitación ~ 100 km/s V observada ~ 200 km/s

5 LA SOLUCIÓN Debe haber más materia de la que vemos tanto en el interior como alrededor de los cúmulos de Galaxias Zwicky, 1933 No tiene interacciones electromagnéticas (porque no la vemos y por tanto no emite luz) Tiene interacciones gravitacionales Si todo lo que se muestra en azul está lleno de materia oscura, entonces si que el movimiento de las galaxias se puede explicar con la ley de Newton M M + M oscura ~ 100 km/s V observada ~ 200 km/s

6 Imagen artística de como debe ser nuestra Vía Láctea: está rodeada de materia oscura

7 85% de la materia en el Universo es oscura GAS, ESTRELLAS MATERIA OSCURA Más de 80 años después de la propuesta de Zwicky, sigue el enigma: Que és de la materia oscura? Dado que el Universo está hecho de partículas elementales, una de ellas podría ser la candidata a constituir la materia oscura Veamos entonces que partículas elementales tenemos Materia Oscura 6

8 El zoo de partículas elementales e u d De qué está hecho el Universo? 8

9 El zoo de partículas elementales (+2/3) (-1/3) (-1) Desintegración del neutrón vía la interacción débil ν De qué está hecho el Universo? 9

10 ~ Electromagnetismo, Nuclear Fuerte y Débil, Gravedad De qué está hecho el Universo? 10

11 Mendeleiev, 1869 ~1970 s ~ Electromagnetismo, Nuclear Fuerte y Débil, Gravedad Quarks y electrón tienen carga eléctrica, NO nos sirven Neutrino no tiene carga eléctrica, podría servirnos PERO tiene una masa demasiado pequeña para constituir toda la materia oscura que observamos : NO nos sirve De qué está hecho el Universo? 10

12 Mendeleiev, 1869 ~1970 s ~ H ~ Quarks y electrón tienen carga eléctrica, NO nos sirven Todavía nos queda el bosón de Higgs! que no tiene carga Neutrino no tiene carga eléctrica, podría servirnos PERO tiene una masa demasiado pequeña para constituir toda la materia oscura que observamos : NO nos sirve Segunda y tercera familia de quarks y electrones tienen carga eléctica: NO nos sirven

13 El bosón de Higgs no es simplemente otra partícula elemental más en nuestro zoo Tiene una masa gigantesca = 125 m p Es la primera partícula elemental con espín 0 El (campo de) Higgs define el vacío. Podemos imaginar el vacío cuántico como un mar lleno del campo de Higgs. ( parecido al concepto del éter de hace un siglo!) Las partículas al interaccionar con el campo de Higgs consiguen sus masas. De qué está hecho el Universo? 12

14 protón protón 14 De qué está hecho el Universo? 14

15 Detección del Higgs en el LHC se tardó casi 50 años La enorme energía cinética de los protones se transforma en materia según la formula de Einstein m p c 2 = E = m H c 2 no es estable, NO nos sirve la materia oscura tiene más de años Esta es otra razón por la que la 2ª y 3ª familias tampoco sirven De qué está hecho el Universo? 14

16 Ninguna de las partículas que existen, de las que estamos hechos, nos sirve para materia oscura! Una especie de revolución anti-copernicana: No estamos en el centro del Universo GAS, ESTRELLAS MATERIA OSCURA pero al menos estamos hechos de lo que la mayor parte del Universo no está hecho! Materia Oscura 15

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18 El problema de la materia oscura nos indica que deben existir más partículas elementales de las que se han descubierto hasta ahora particulas conocidas QUIZAS compañeras supersimétricas Algunas de ellas son -neutras -estables (o con una vida media mayor que la del Universo) -masivas SI nos sirven para materia oscura De qué está hecho el Universo? 18

19 A LA CAZA DE LA MATERIA OSCURA La aniquilación de partículas de materia oscura en el halo de nuestra galaxia produce rayos gamma, antimateria, neutrinos, que se pueden medir en detectores basados en el espacio: Fermi (gammas), PAMELA, AMS (antimateria) Materia Oscura en telescopios Cherenkov MAGIC, HESS, VERITAS (gammas) 19

20 La materia oscura también se puede acumular en el Sol. Su aniquilación produciría neutrinos que podrían ser detectados en los telescopios de neutrinos, a través de los muones producidos en sus interacciones con las rocas Experimentos bajo el hielo (IceCube con un tamaño de 1 km 3 ) Experimentos bajo el agua (ANTARES cubre un área de 0 1 km 2 En el futuro KM3NeT de 1 km 3 )

21 DETECCIÓN DIRECTA de partículas de materia oscura nos han atravesado (a cada uno) durante esta charla! Un ejemplo es el experimento ANAIS Grupo de Física Nuclear y Astropartículas de la Univ. Zaragoza, miembro de MultiDark 21

22 CONCLUSIÓN La física de partículas casi responde a la pregunta: De qué está hecho el Universo? porque persiste el enigma: Que és la materia oscura? Para resolverlo, debemos asumir la existencia de más partículas de las que conocemos Supersimetría predice que cada partícula conocida tiene una compañera y alguna de ellas puede ser candidata a materia oscura Se podrían detectar en el LHC o en experimentos de detección directa e indirecta Otras partículas candidatas para materia oscura se han propuesto y se está intentando cazarlas también En el futuro, en los experimentos en curso podremos descubrir de qué está hecho ese 85% de materia que desconocemos del Universo De qué está hecho el Universo? 22

23 PERO Perlmutter, Schmidt y Ries descubrieron in 1998 que el Universo se está expandiendo de forma acelerada! Energía Oscura quizás? PERO qué es la Energía Oscura? IFT UAM-CSIC Energía Oscura 23

24 (la constante cosmológica de Einstein) Quizá la energía oscura es la energía del vacío como la que produce el campo de Higgs pero cuando se calcula en una teoría cuántica acoplada a gravedad sale gigantesca comparada con la que se mide Quizá es que el cálculo está mal porque no tenemos una teoría cuántica de la gravedad = G es el gravitón, el análogo del fotón Quizá la teoría de cuerdas resuelva este problema UAM-CSIC Energía Oscura 24

25 Teoría de Cuerdas Las partículas corresponden a los distintos modos de vibración El gravitón aparece como una de esas vibraciones Teoría cuántica unificada de todas las interacciones Quizá sea finita = finita Quizá, cuando tengamos la formulación completa, al calcular la energía del vacío salga pequeña IFT UAM-CSIC De qué está hecho el Universo? 25

26 Energía Oscura quizás? Quizá la energía oscura es la energía del vacío Quizá es que no tenemos una teoría cuántica de la gravedad Quizá la teoría de cuerdas resuelva este problema Quizá sea finita Quizá al calcular la energía del vacío salga pequeña

27 Quizá necesitemos un nuevo Einstein Metaphysics 27